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片式多层陶瓷电容器 MLCC
电容器破裂失效全攻略
作者:Micky
陶瓷电容产品市场技术部工程师
宇阳科技发展有限公司
Address,东莞市凤岗镇
宇阳科技发展有限公司
目录
摘要
1、引言
2、裂纹的实际成因
2.1热冲击
2.2贴片机引起的损伤
2.2.1真空吸放头
2.2.2对中夹具引起的损伤
2.3翘曲裂纹
2.4 印制板剪裁
2.5 焊接后变形的印制板
2.6不合格元件
2.7结论
2.8结束语
摘 要
MLCC电容的巨大普及性与可选择性技术的比较,首先是他们出色的可靠性记录和低成本。但是在某一特定环境下由于元器件的陶瓷部分破裂会发生一些问题。当元器件焊接到电路板后,这些失效通常由机械破坏和热应力产生;当电路板误操作或在极其苛刻的环境条件下组装,也会导致失效。本文主要介绍了片式多层瓷介电容器MLCC在生产和使用过程中出现的可靠性问题,如片式电容瓷体断裂、微裂和电性能-绝缘电阻下降失效等,分析了可靠性失效原因和机理。
片式多层瓷介电容器简称片式电容,是新型、片式电子元器件,广泛用于消费、通讯、信息类电子整机设备中,主要起到滤波、隔直、耦合、振荡等作用。随着电子信息产业不断的发展,电子设备向薄、小、轻、便携式发展,片式电容也逐步向小型化、大容量化、高频率方向发展。片式电容是增长速度*快的无源电子元器件之一,具有广阔的发展前景和目标。
片式电容由三大部分组成:1.陶瓷介质体;2.内部电极;3.外部电极;
片式电容基本电性能有1.电容量(CorCP);2.损耗值(DF);3绝缘电阻(IR);4.耐电压(TC)等。
关键词:片式电容、可靠性、绝缘电阻、微裂纹、应力
这篇文章阐述了MLCC产品的破裂失效的特性,一个软的终端系统和加工组装过程通过减轻施加在陶瓷上的机械力和减少SMT过程中的热冲击来使这类失效*小化。
1、引言
表面组装技术(SMT)中的片式多层陶瓷电容器,英文缩写MLCC。其SMT过程产生的裂纹限制了组装件的可靠性及组装生产的产量。这些裂纹表现为以下电气缺陷:间接接触、电阻变化、电容量减少和大的漏电流。明显可见的大裂纹及潜在的细小裂纹,常被器件供应商归结于焊接过程,用户归结于器件本身。裂纹的实际成因有焊接过程的原因,但它不是主要的。
组装生产的任何一个过程都可能产生裂纹。这些成因包括:焊接及清洗过程造成的热冲击,贴片机对中夹具、真空吸放头、印制板剪裁、印制板组什焊接、测试夹具、连接器装配、总装、有缺陷的器件、及由于印制板设计造成的开裂焊点。幸运的是,每种裂纹都有一种独特的形式,即根据裂纹的大致型貌可以大概确定产生的原因。
2、裂纹的实际成因
2.1热冲击
在所有裂纹中,“热冲击”是一个主要的原因,热冲击所产生的裂纹约占20-25%。当热冲击存在时,它很容易掩盖所有其它裂纹成因,有必要搞清楚缺陷类型以确定和消除它们。热冲击是由于结构本身不能吸收短时间内温度剧烈变化产生的机械应力所导致的机械性破坏。该应力由于不同的CET(热膨胀系数)、δT(导热性)及温度变化率而产生。CET和δT是器件制造中所使用的材料的函数。温度变化率则与焊接工艺有关。热冲击是一个复杂的问题,在此只对这些裂纹做一概述。不同材料的CET(热膨胀系数)、δT(导热性)见表1。片式多层陶瓷电容器对热冲击很敏感,这是由于器件由交错的多层陶瓷介质和带有金属引线的金属电极组成。这种结构如图1、图2。
图1MLCC整体结构图 图2无引线的MLCC电极和端头结构
表1不同器件材料的CET和δT
材料 | CET(ppm/℃) | δT(w/m。k) |
合金42 | 5.3 | 17.3 |
铝 | ≈7 | 34.6 |
钡钛酸盐 | 9.5~11.5 | 4~5 |
铜 | 17.6 | 390 |
灌注环氧树脂 | 18~25 | ≈0.5 |
二氧化硅 | 0.57 | 3.4 |
镍 | 15 | 86 |
银 | 19.6 | 419 |
钢 | 15 | 46.7 |
钽 | 6.5 | 55 |
生产MLCC所使用的配伍材料,具有不同的CET和δT,容易引起内部应力。当温度变化率太高时,会出现热冲击裂纹。这些裂纹首先出现在结构*薄弱并且机械应力集中的地方。即出现在陶瓷/外露引线交接处或其附近。片子*结实的拐角处其机械应力*大:在结构*薄弱处往往出现裂纹。在控制欠佳的波峰焊过程中,当温度变化率过大时,在陶瓷元件端头上会产生如图3所示的作用力,会形成较大的、可见的U型裂纹或像拇指甲表面的裂纹。
图3MLCC器件焊接时元件端头的作用力
热冲击有两种征象:明显可见的裂纹(图4)和更多的潜伏的看不见的微小裂纹(图5)。在同样的力作用下,较小的热冲击产生较小的裂纹。开始它们出现在裸露表面的中央或恰好在陶瓷/引线交接处的下面。裂纹随着加工过程温度变化或装配件弯曲慢慢延伸。大约几周后,小裂纹通过陶瓷延伸,产生开路、间断接触或大的漏电流。这是加工过程中留下的一颗“定时炸弹”(图6)。
图4MLCC器件明显可见的热冲击裂纹
MLCC常见的质量问题
首先是陶瓷本体问题-断裂或微裂,这是*常见的问题之一。断裂现象较明显,而微裂一般出在内部,不容易观察到,涉及到片式电容的材质、加工工艺和片式电容
图5微小裂纹的位置 图6多次通电后扩展的微小裂纹
热冲击裂纹经常是由于不正确的焊接工艺或清洗造成的。波峰焊是产生裂纹的*主要原因,因为它的热传导率*大(使用液态金属),温度变化*大,能产生可见裂纹及微小裂纹。红外(TR)再流焊的热传导率*低,热冲击较小。也不能忽略装配件的清洗,因为在加热和冷却过程中会出现热冲击。在进行清洗处理之前,应让组装件冷却至60℃以下。
2.2贴片机引起的损伤
在SMT的生产环境中,贴片机是陶瓷电容器产生裂纹的*主要原因。这些缺陷通常被不正确地误称“热冲击裂纹”,而送到器件供应商及制造厂寻求问题的解决。该损伤是由故障较频繁的对中夹具或真空吸放头造成的。除了严重损伤外,直到器件进行焊接后,才会显现贴片机造成的裂纹,只是这些裂纹很独特。这是些大而可见的裂纹,以及肉眼看不到的内部损伤。
2.2.1真空吸放头
由真空吸放头造成的损坏或裂纹是直观且明显的(图7)。
Propagated crack
图7 带有张力裂纹的贴片机损伤
贴片机损伤通常在器件裸露的表面上呈压碎状的环行回半月形区。一般很粗糙,带有毛边或者可以看见的贴片吸放头压痕。另外,半月形及圆形区与贴片吸放头直径一致。另一吸放头损坏特征是出现在印制板焊膏的附近。可以看到,张力裂纹始于印制板上元器件中间,从一侧扩展到另一侧。这些裂纹可以扩展到元器件顶部表面并是粗糙和不平整的,且有可能碎片从电容器中爆裂出来隔在电容器和印刷板之间。由于焊膏支撑着电容器的两端头而不是器件的中间,会使器件未支撑的部分断裂。
这种类型损伤是偶于吸放头Z轴方向上的贴片力过大超过了陶瓷的断裂强度所致。许多贴片机采用具有缓冲机构的小吸放头,减少工艺冲击以避免损伤。有两种基本方法来产生放置力:程序化的Z轴位移和气动调节器。当Z轴位移并使器件旋转时,器件厚度变化、印制板(基材)翘曲、器件焊盘涂层及焊膏厚度的不同是导致故障的原因。气动调节器有着独特的问题,其中也包含器件厚度变化及印制板翘曲。设备中气压变化可能是产生压力裂纹的主要原因。另外,随着气缸的老化,它会变的粘性或漏气,可用增加压力来补偿。Z轴方向的贴片压力是一个工艺参数,要求进行强制性的监控。
2.2.2对中夹具引起的损伤
机械对中的贴片机有两种形式的对中夹具:顶部对中和底部对中,每一种都有其各自的裂纹特征,但较新式的贴片机速率快,并逐步使用视觉系统或激光对中取代机械对中,由此而造成的损伤也不复存在。对顶部对中和底部对中造成的裂纹也就不进行讨论。
在贴片过程中必须遵循完整的过程控制,以消除损坏。这包括专门的定期维修和监视全部加工过程变化情况。使用机械装置*大的可能是真空吸取头,其次是贴片力。工厂的空气压力,印制板翘曲和厚度变化、焊盘图形上的焊膏厚度、漏印后焊膏厚度的均匀性、胶粘剂量控制和放片力,是需要控制的参数。*好是每次开始时进行全部监测,随后决定哪些对制造是不重要的,而不是毫不控制,并力图找出故障发生的重要因素。
2.3翘曲裂纹
在印制板裁剪、测试、元器件安装、插头座安装、印制板焊接、产品*终组装时,引起组装件弯曲所造成的裂纹,或焊接后有翘曲的印制板,全部归入“翘曲裂纹”的范围。和热冲击或贴片所产生的裂纹一样具有其独特性。在所有情况下,翘曲产生的应力超过了陶瓷的抗拉强度,而形成裂纹。翘曲裂纹对受热过程很敏感,例如焊接时受热裂纹快速扩散,可产生听得见的劈啪声。
翘曲裂纹的主要原因是印制板的翘曲,焊点的焊料量对裂纹的出现起一定作用。过多的焊锡把全部应力都转移到元件上,*容易产生裂纹;焊锡太少使焊点容易疲劳。正确的焊点构性应是焊接工艺方法、焊盘设计和焊点焊料量的函数。
成品表面组装元件允许的弯曲程度采用专门的技术规范,而不是通孔技术的规范,这是由于整个元件易受到应力的影响。对印制板弯曲技术规范有两种可能的方法:线性度量,或*小弯曲半径度量(见插页图8)。
图8 印制板翘曲时的产生的损伤
以下介绍*小弯曲半径度量的计算方法。
插页:
给定*小弯曲半径时印制板*大翘曲度
y 是印制板翘曲度
d 是印制板长度
即d=θR,θ按弧度单位sin(90-θ)=(R-y)/R=1-y/R 而Sin(90-x)=COSX.
因此,COSθ=1-y/R或y=R(1-COSθ), θ=d/R
因此:y=R(1-COS(d/R))。
例如:当*小弯曲半径=60”时,
A) 4”长印制板
y*大=60(1-COS(4/60))=60(1-0.99784)=0.1236”
B) 1”长印制板
y*大=60(1-COS(1/60))=60(1-0.99986)=0.0084”
在较短印制板长度内*小弯曲半径具有很小的允许翘曲度。但是在较长的印制板中允许较大的翘曲度。例如,当*小弯曲半径为60英寸时,1英寸的印制板可以有不大于8.4密耳的均匀弯度,而4英寸的印制板可以有124密耳的均匀弯度。均匀弯度是印制板沿圆周半径平稳装入的地方。如果有类似于大的集成电路、变压器或插头座这样的刚性元件。在给定印制板长度情况下,允许的翘曲度应较小以**不合格品。根据组装件长度和弯曲半径允许的翘曲度的推导公式位于上面的“插页”中。
2.4 印制板剪裁
制造效率有时要求几块不同的印制板拼成大的印制板,拼接的印制板是能够制造的,但在剪裁时必须谨慎,因有可能损伤单个的组装件。分开拼接板有六种基本方式,每一种方式都有一定特点。
1)、手工分开拼接印制板:这种方法采用典型的钻孔或在印制板之间刻线,因此焊接和清洗之后印制板用手可以分开。这种方法在施加压力或在压力作用时具有不均匀性,会产生不稳定的质量和成品率,操作时应该注意。
2)、剪刀剪切:这是一种适于通孔组件技术的转换,实际上是从板金车间发展起来的,靠近刀刃处,有大量的印板弯曲和破损,这些可能使元件和焊点处开裂。这项技术要谨慎使用,在对印制板的实际情况不清楚时,放置元件应远离弯曲的边缘和拐角。由于拐角是印制板的*小支撑部分,且每个拐角要剪切两次,一次按X次方向切,一次按Y方向切,所以靠近组装件拐角的元件将受到*大的应力。印制板剪切的典型裂纹是在陶瓷电容器顶部表面沿对角线,从一拐角到另一拐角。
图9印制板剪切时产生的裂纹
元件远离印制板拐角和边缘是将剪切损伤减至*少的*佳方法,用夹具固定、以减少剪切过程中的移动。预先确定拐角加工路线会进一步减少临界拐角部位的应力和翘曲。为了消除损坏,元件到边距离不小于5mm(图10)
图10减少临界拐角部位的应力和翘曲
3)、滚动刀片剪切(Pizz切割器):使用滚动式切割器时会出现非常多的翘曲,这是由于所有的切割力都聚集在小的移动部位。采用滚动式剪切时,用固定印制板来*大限度地减少损失是十分困难的。
4)、冲压或冲模剪切:切割板翘曲仍是一个问题,虽然没达到剪刀或滚动式剪切机的程度,这是由于没有基材撕开或角弯曲,在限制移动的剪切过程中印制板的整个边缘被支承。元件仍然需要与印制板边缘隔开一定距离,并需要采用较薄的基材。大尺寸的印制板难以支承和固定,另一方面厚基材把大量的应力转移到元件上。这种方法*好用在元件被隔开、薄基材的小尺寸的印制板上。
5)、组合锯切割:印制板锯开的过程中不会使印制板过度翘曲,消除了元件应力和损坏。组合锯速度非常快,采用两次走刀切割。根据半导体工业的需要已提供各种各样的可编程锯,这种锯能满足SMT(表面组装)组装件样机或小批量生产的需要。但是这种锯不易用于复杂形状或曲线形状的印制板加工,这些形状的印制板需要预先处理,提高了组装件基材的费用。组合锯*适合于正方形或矩形印制板的加工。
6)、水力喷射切割:这是用简单的固定法可实现的*灵活的SMT组件切割技术,但需要昂贵的设备投资。成本现正在下降。
如果有可能,应避免剪切方法来分开拼接印制板,必须采用剪切法时,应使元件远离印制板边缘和拐角,并预先完成拐角部分的加工,以便把损伤减至*少。组合锯和水喷射切割不会引起损坏,它们是分开拼接印制板的较好方法。
2.5 焊接后变形的印制板
这是一个广泛的课题范围,因为它涉及将组装件放入测试夹具内、安装插头座或其它大型元件、在托家或槽板上堆放组装件已待进一步加工。产生的裂纹是由于过渡的基材弯曲和元器件的应力。
焊接后组装件处理可能是裂纹的一个重要原因,这是由于元件是垂直于应力梯度的方向排裂,而不是与梯度平行。当组装件上的工具孔不能满足测试系统或贴片机上的对应销钉时,趁通常就是用力把组装件装入。“使用较大的锒头把组件压入”不允许用于SMT组件,否则只会导致潜在的缺陷。存放不当的已焊接组件可能是裂纹的另一个原因,如把组装件放在托盘里或垂直槽板内而使组装件凹陷或翘曲。当把翘曲的印制板拧入框架或装上连接器或其它大型元器件时,可能与沿应力梯度方向排列元件一样,引起元件开裂。
产生的裂纹随着断裂声响迅速地出现。根据印制板翘曲情况、方向、元件走向,这些缺陷快速扩散以消除应力。裂纹从陶瓷和端头接合处开始,在这里,陶瓷移动受到端头利焊点轮廓线的限制。由于陶瓷在较低强度的拉力方向上易损坏(10Kpsi拉力相当于15Kpsi压力),典型的裂纹起始点会位于*大拉力部位处,如图11所示。
图11剪切裂纹的起始部位(a)(b)
产生的裂纹从起始部位以大约45度的角度向端头方向扩展。端头下的贴片机裂纹呈现多个裂纹,而典型的印制板翘曲裂纹是单个裂纹。如图12所示:
图12典型的印制板翘曲裂纹
2.6不合格元件
层陶瓷电容器有三种基本类型的明显内部缺陷影响可靠性:电极间空隙、热裂纹和编织线裂纹。这些故障的每一种都会造成过量的泄漏电流,妨碍组件的可靠性。
1) 电极间空隙是陶瓷的高孔隙率或电极间内介电层里的气孔造成的。这种气孔会变成漏电通路,然后成为潜伏的电气故障。
2) 热裂纹具有与电极成直角的特性,典型的发生于电极边缘或端头处。机械过载裂纹,如象热冲击和外部损伤,以接近45度的角度出现并扩展。
3) 编织线裂纹从电极的一端延伸到对面的端头去,造成潜伏的漏电通路。分层和单层间隙不会直接造成故障,但是对机械应力较敏感,可能会使电极间介电层断裂,然后变成潜伏的漏电通路。
2.7结论
SMT组件加工过程的每个阶段都可能引起不合格品。百万分率以下缺陷要求对这潜在原因做出说明并进行控制,以保持较高的合格率。不合格元件存在,但只占很小的百分比。热冲击、贴片机和焊接后处理是引起多数不合格品的原因。
热冲击裂纹发生于表面并向内部扩展,机械过载损伤可以起始于表面或内部;但是热冲击和过载裂纹以接近45度的角度扩展,不合格元件的空隙或裂纹与内部电极直成角或并行。
表面安装技术拥有很多的好处,但必须有严格的操作规程。请记住,大多数SMD元器件有相似的封装,它们已可靠地使用数十年。可是,在设计开始时必须非常小心,以标识出所有高应力部位并排出元件方向,以尽可能把损伤减至*少。*小的应力设计总会有较高的合格率和可靠性。
2.8 结束语
片状电容出现质量问题,特别是涉及到可靠性方面的质量问题,是一个复杂的过程。它的表现形式主要是瓷体断裂、微裂或绝缘电阻下降、漏电流增大居多,出现片状电容可靠性失效的质量问题,应从大角度、全方位、分阶段分析、研究该问题。
当然,客观上片状电容存在一定比率的失效率,针对与片状电容有关的质量问题,既要承认陶瓷片状电容存在一定脆性,又要认可通过现代贴片、组装技术能够*大限度减少对陶瓷片状电容的应力冲击。研究、分析片状电容出现的质量问题,找到问题产生的根源,对于现在大量使用于电子整机的片式电容而言,防范、杜绝可靠性问题的出现,具有很现实的意义。